GPUMD & NEP 应用进展：共振结构调控石墨烯纳米带热电性能

石墨烯纳米带（GNRs）具有可调带隙、优异电输运和较高结构稳定性，是低维热电材料的重要候选体系。但其晶格热导率仍偏高，导致热电优值 ZT 难以进一步提升。如何在尽量保留电子输运能力的同时，有效抑制声子热输运，是石墨烯纳米带热电设计中的核心问题。

近期，哈尔滨工业大学易红亮教授团队与广东工业大学熊世云教授团队在 Chinese Physics B 发表题为 “Improve thermoelectric properties of graphene nanoribbons based on resonant structure engineering” 的研究论文。作者结合分子动力学模拟、HNEMD 热输运计算和线性标度量子输运（LSQT）方法，系统研究了共振侧枝结构对石墨烯纳米带热电性能的影响。

图 1：共振石墨烯纳米带结构模型及关键几何参数。

在方法上，作者采用 GPUMD 开展分子动力学与热输运计算，并使用适用于碳体系的 NEP 势函数描述原子间相互作用。声子热导率通过 HNEMD 方法获得，电子输运则基于 MD 轨迹结合 LSQT 方法计算，从而显式考虑电子-声子耦合效应。相比传统弹道输运模型，该流程能够更直接地反映有限温度下晶格热振动对电子输运的影响。

首先，作者考察了不同宽度扶手椅型石墨烯纳米带的本征热电性质。随着纳米带宽度从 10 nm 降至 2 nm，声子热导率由 797.3 W·m⁻¹·K⁻¹ 降至 572.3 W·m⁻¹·K⁻¹，主要来源于边界声子散射增强。同时，窄带体系的带隙和 Seebeck 系数更明显，使最大 ZT 从 10 nm 体系的 0.005 提升至 2 nm 体系的 0.095。

在 5 nm 宽石墨烯纳米带中引入共振侧枝后，电子输运会受到一定削弱，表现为电导率和功率因子下降，但声子热导率的降低更为显著。对于 H_Re = 1.5 nm、L_p = 6 nm 的共振结构，声子热导率由原始 GNR 的 655.3 W·m⁻¹·K⁻¹ 降至约 115 W·m⁻¹·K⁻¹，降幅约为六倍。这种声子输运的强烈抑制抵消了部分电子性能损失，使 ZT 从原始结构的 0.065 提高到 n 型约 0.12、p 型约 0.135。

进一步的几何参数扫描表明，共振结构的高度和周期是调控热电性能的关键。增大侧枝高度、减小周期能够提高共振模密度，加强共振声子与传播声子的耦合，从而更有效地抑制低频声子热输运。综合电子输运与声子输运后，最佳区域出现在 H_Re = 1.5 nm、L_p = 6-7 nm 附近，最大 ZT 可达到约 0.137，较原始 GNR 实现约数量级提升。

温度效应方面，优化共振 GNR 的声子热导率随温度升高而下降，说明声子-声子 Umklapp 散射增强。电导率和功率因子则因电子-声子散射增强而降低。文中还观察到 Wiedemann-Franz 定律的偏离：Lorenz 数比值 L/L₀ 从 300 K 的 0.55 增至 600 K 的 0.92，表明低温下电子热输运与电输运存在明显解耦，而高温时逐渐接近常规金属输运行为。

总体来看，该研究说明：通过在石墨烯纳米带中引入周期性共振侧枝，可以选择性压制声子热输运，同时维持可接受的电子输运能力。GPUMD、NEP 势函数、HNEMD 与 LSQT 的结合，为低维热电材料中电子-声子耦合和共振声子局域化机制研究提供了可推广的计算框架。

文章信息：

Yu-Xuan Kang, Shi-Yun Xiong*, and Hong-Liang Yi*. Improve thermoelectric properties of graphene nanoribbons based on resonant structure engineering. Chinese Physics B 35, 037301 (2026).

文章链接：

https://doi.org/10.1088/1674-1056/ae1950